Чёрная металлургия_2011_01

В настоящее время нижние ярусы отвала подошли к границам существующего земельного отвода, и основная нагрузка по приемке вскрышных пород приходится на верхние ярусы отвала.

Расширение земельного отвода отвала № 2 предусматривается осуществить в восточном направлении путем прирезки 63,7 га земель.

Расширение отвала на этих землях планируется с сохранением существующей 100-м охранной зоны р. Осколец. При этом осуществляется вынос двух водоводов технической воды диам. 1200 мм и переустройство ЛЭП.

При расширении отвала № 2 рыхлых пород в восточном направлении отвальные ярусы будут формироваться на породах, которые характеризуются довольно низкими прочностными характеристиками. Для обеспечения устойчивости отвала предусматривается нижние ярусы в восточном направлении в отметках от 131 133 до 155 170 м отсыпать из скальных пород.

Согласно проекту, общий объем рыхлой вскрыши, планируемый к складированию в отвал № 2 с 2006 по 2015 г., составляет 57,036 млн м3, среднегодовой порядка 6 млн м3.

Кроме того, в связи с развитием транспортных схем в карьере и поэтапным увеличением руководящего уклона капитальных траншей с 40 до 60 % проектом предусмотрены перенос второй выездной железнодорожной траншеи с продвижением фронта горных работ на Южно-Лебе- динский участок месторождения и строительство третьей железнодорожной капитальной траншеи. При этом только при строительстве третьей капитальной траншеи объем горно-строительных работ составит 35,5 млн м3, в том числе 27,5 млн м3 рыхлых пород. Указанный объем рыхлых пород подлежит складированию в отвале № 2, ин- женерно-геологические условия и геомеханические особенности которого характеризуются как достаточно сложные. Сложность инженерно-гео- логических условий отвала № 2 рыхлой вскрыши предопределяется в первую очередь неоднородным строением и литологическим составом его основания, примыкающего к пойме и склону долины р. Осколец. Наиболее неблагоприятными по несущей способности основания являются участки, приуроченные к пойменным отложениям и характеризующиеся как обводненные и слабые, а также овражно-балочные участки с пониженной (по сравнению с водоразделами) прочностью пород.

Учитывая дефицит отвальных площадей для размещения рыхлой вскрыши карьера Лебединского ГОКа, рассматриваются варианты развития отвала № 2 на площадь гидроотвала № 1. Последний относится к участкам со слабым основанием.

Инженерно-геологические особенности основания отвала № 2 и его отвальных масс в разные годы изучались институтами “Южгипроруда”, “Центрогипроруда”, ВНИМИ, НИИКМА, а в последние 12 15 лет ФГУП ВИОГЕМ.

На основании результатов исследований в зависимости от геоморфологического положения в границах земельного отвода под отвал № 2 выделяются четыре инженерно-геологических типа основания.

Первый тип правый склон долины р. Осколец и местные водоразделы. Основание отвала сложено верхнечетвертичными эолово-делюви- альными суглинками мощностью 6 9 м, палеогеновыми суглинками и глинами, мелами коньяктуронского яруса.

Второй тип балка Бродчанский Лог и овраги правого склона долины р. Осколец. Основание отвала представлено современными отложениями, к которым относятся суглинки гумусированные мощностью 1,3 3,7 м и суглинки от бу- ровато-желтых до серых с включениями дресвы и гравия мела (мощность 1,3 7,8 м).

Третий тип пойма р. Осколец, где основание отвала представлено пойменными отложениями (сверху вниз): илистыми гумусированными суглинками (мощность 0,5 4,5 м), торфами (0,5 5,5 м), мергелистыми суглинками и глинами (0,0 4,0 м), разнозернистыми песками руслового аллювия.

Четвертый тип намытый в 1959 1963 гг. гидроотвал № 1, примыкающий с северо-запада к экскаваторному отвалу № 2 рыхлой вскрыши.

Гидроотвал № 1 намыт до отметки 165,0 167,0 м при отметках поверхности основания ограждающей дамбы 135,5 137,8 м. Площадь гидроотвала № 1 составляет 102 га, в нем размещено 30,5 млн м3.

Нижняя часть гидроотвала № 1 представлена намывными четвертичными суглинками мощностью 3,5 4 м, ядерная зона которых сложена глинистыми фракциями с низкими прочностными и фильтрационными характеристиками.

На суглинки намыты пески, которые составляют основную часть (83 %) гидроотвального массива. При этом крупные фракции песков отложились на пляжных зонах, а мелкие фракции песков, пылеватые и глинистые фракции в ядерной зоне гидроотвала.

Наличие в основании гидроотвала № 1 слабых пластичных обводненных намывных суглинков явилось одной из причин оползня объемом 1,8 млн м3, произошедшего в августе 1963 г. в центральной части ограждающей дамбы северного откоса.

Несоответствие темпов наращивания гидроотвала по высоте скорости консолидации слабых намывных суглинков (вследствие чего скорость роста избыточного порового давления существенно превышала скорость его рассеивания) привело к увеличению сдвигающих напряжений при практически постоянной величине сил сопротивления сдвигу и в конечном счете к оползню.

Дальнейший намыв гидроотвала № 1 в связи с произошедшим оползнем прекращен.

22 ―――――――――――――――――ОАО «Черметинформация» • Бюллетень «Черная металлургия» • 1• 2011

С 1964 г. отвалообразование всех объемов						ВНИМИ в 70-е годы прошлого века. Это свиде-
гидровскрыши Лебединского и Южно-Лебедин-						тельствует о происходящих на рассматриваемых
ского карьеров было сосредоточено в балке Бе-						участках отвала № 2 процессах консолидации
резовый Лог.						породных масс.
Результаты инженерно-геологических иссле-							На основе инженерно-геологических иссле-
дований, выполненных ФГУП ВИОГЕМ по уча-						дований, выполненных вышеперечисленными
стку гидроотвала № 1 в последние годы, свиде-						организациями, получены расчетные значения
тельствуют о некотором			повышении		величины	показателей физико-механических свойств от-
сопротивляемости сдвигу			намывных		суглинков	вальных масс и пород основания отвала № 2
по сравнению с показателями, полученными						(табл. 1).
ТАБЛИЦА 1. РАСЧЕТНЫЕ ЗНАЧЕНИЯ ПОКАЗАТЕЛЕЙ ФИЗИКО-МЕХАНИЧЕСКИХ СВОЙСТВ ПОРОД
		ОСНОВАНИЯ ОТВАЛА № 2 И ЕГО ОТВАЛЬНЫХ МАСС*
					Плотность		Удельное		Угол внутрен-		Сопротивление
	Породы				сложения,				него трения,		сдвигу (МПа) при
							сцепление, МПа
					103 кг/м3				град.		n = 0,1 МПа
		Отложения на		склоне речной долины и местных водоразделах
Суглинки четвертичные:					1,53 1,94		0,015 0,025		10,5 19,0		0,034 0,058
гумусированные, лессовидные, слабо-
алевритистые, ожелезненные					1,79		0,021		16,2		0,050
Суглинки палеогеновые					2,02		0,028		21,0		0,066
Глины палеогеновые					1,98		0,034		18,0		0,062
Мела выветрелые,		раздробленные, интен-			1,82		0,034		23,0		0,076
сивно трещиноватые
				Овражно-балочные			отложения
Суглинки и глины четвертичные:
гумусированные,		слабозаторфованные,			1,50 1,77		0,009 0,027		6 18,3		0,020 0,058
лессовидные и		лессовидные переотло-
					1,68		0,015		12,3		0,037
женные
Мела выветрелые,		раздробленные, интен-			1,80		0,021		20,0		0,057
сивно трещиноватые
					Пойменные отложения
Суглинки и глины четвертичные:					1,50 1,88		0,008 0,019		2 15		0,011 0,046
гумусированные, средне- и слабозатор-
фованные мергелистые, иловатые					1,62		0,014		11,0		0,033
Ил, ил	слабозаторфованный,		торф, глины		1,00 1,63		0,006 0,018		0,0 9,4		0,006 0,033
средне-	и слабозаторфованные, гумусиро-
					1,45		0,011		6,5		0,022
ванные, иловатые
Супесь четвертичная					1,70		0,006		18,0		0,038
Пески разнозернистые руслового аллювия					1,96		0,001		29,0		0,056
Пески сеноман-альбские					2,02		0,002		33,0		0,067
			Намывные породы гидроотвала № 1
Суглинки намывные					1,80		0,028		13,5		0,052
Пески намывные					1,80		0,002		28,0		0,055
Грунты ядерной зоны					1,90		0,007		8,0		0,021
Смесь намывных и насыпных грунтов (зона					1,90		0,006		16,0		0,035
замещения)
			Отвальные	смеси рыхлой сухоройной вскрыши
Отвальная смесь при естественной влажно-					1,76		0,017		25,0		0,064
сти
Отвальная смесь водонасыщенная					1,85		0,014		19,6		0,050
* В числителе пределы значений, в знаменателе средние значения.
Сложность обоснования расчетных прочност-						вскрышные породы складируются в отвал в са-
ных показателей отвальных масс связана с не-						мых различных пропорциях.
однородностью и неравномерностью распреде-							При равномерном продвигании фронта гор-
ления отдельных литологических разностей в						ных работ по толще рыхлых пород прогнозируе-
отвале.						мые средневзвешенные значения отдельных ли-
Отвальные смеси в отвале № 2 не являются						тологических разностей в отвальных породных
равномерными в связи с тем, что при свободном						смесях будут изменяться в следующих преде-
распределении породных поездов по отвальным						лах: мела 42		%; песка 40,6			%; суглинка
тупикам в зависимости от числа работающего						5 %; смешанных глинистых пород девона и юры
оборудования на горизонтах отработки в карьере						7 %.
ОАО «Черметинформация» • Бюллетень «Черная металлургия» • 1• 2011 ――――――――――――――――												23

С учетом изложенного отвальные смеси от-	Промышленная безопасность отвалов в пе-
вала № 2 в плане и по высоте относятся к не-	риоды отсыпки и дальнейшей эксплуатации, их
равномерным. Поэтому расчетные значения по-	максимальная удельная емкость зависят от при-
казателей прочности отвальных масс на сдвиг	нятых параметров откосов на конечных контурах.
приняты как средние значения прочности лито-	С учетом инженерно-геологического обосно-
логических разностей.	вания выполнены прогнозные геомеханические
Для пород основания отвала № 2, разделенных	расчеты устойчивости откосов для различных
на четыре типа, расчетные прочностные по-	участков отвала № 2.
казатели пород на сдвиг получены на основе ре-	Рекомендуемые параметры ярусов отвала и
зультатов лабораторных испытаний образцов с	откосов отвала № 2 на конечных контурах при-
учетом их математической обработки при ко-	ведены соответственно в табл. 2 и 3.
эффициенте доверительной вероятности = 0,95.

ТАБЛИЦА 2. РЕКОМЕНДУЕМЫЕ ПАРАМЕТРЫ ОТКОСОВ ЯРУСОВ ОТВАЛА № 2

Участок			Тип		Складируемые вскрышные					Отметки отсыпаемого				Угол наклона
отвала			основания			породы						яруса, м		откоса, град.
					Крепкие скальные породы						165-дневная			38
Юго-восточный фланг		Овражно-балочный									поверхность
					Смесь рыхлых вскрышных							180 165		33
					пород
					Смесь	скальных	вскрышных				155-дневная			38
Северная	часть		Пойменное		пород						поверхность
восточного фланга
					Смесь рыхлых вскрышных							170 155		33
					пород
					Смесь	скальных	вскрышных					180 165		38
Северо-западный			Намывное		пород
фланг			(гидроотвал № 1)		Смесь рыхлых вскрышных							195 180		33
					пород
												170 155		33
												185 170		33
												200 185		33
По всей	площади											220 200		33
												235 220		33
формируемого отвала			Все четыре типа		Смесь рыхлых вскрышных пород
												250 235		33
№ 2
												265 250		33
												280 265		33
												295 280		33
												310 295		33
ТАБЛИЦА 3. РЕКОМЕНДУЕМЫЕ ПАРАМЕТРЫ РЕЗУЛЬТИРУЮЩИХ ОТКОСОВ ОТВАЛА № 2
			НА КОНЕЧНЫХ КОНТУРАХ ЕГО ОТСЫПКИ
Флаг			Тип основания			Отметки бровки, м						Параметры откоса
отвала			отвала			верхней		нижней				высота, м		угол наклона,
														град.
Южный			Склон речной долины			310		185 210				125 100		18 19
Юго-восточный			Овражно-балочный			310		144				166		18
Южная часть восточного			Склоны речной долины			310		160 170				150 140		17
			и балки
Севернаячастьвосточного			Пойменное			310		132 140				178 170		10
Восточная и центральная			Пойменное			310		135 140				175 170		12
части северного
Западная часть северного			Пойменное			310		135				175		12
Северо-западный			Намывное			310		136				174		10
			(гидроотвал № 1)

Вышеуказанные параметры откосов отвала № 2, полученные ФГУП ВИОГЕМ по результатам инженерно-геологического обоснования и прогнозных геомеханических расчетов, обеспечены

нормативными коэффициентами запаса устойчивости.

При превышении рекомендованных углов наклона откосов отвала на конечных контурах возможно, с большой вероятностью, развитие на-

24 ―――――――――――――――――ОАО «Черметинформация» • Бюллетень «Черная металлургия» • 1• 2011

рушений устойчивости, а при их уменьшении	надежности отвалообразования необходимо вы-
потеря емкости отвала.	полнять регулярный контроль геодинамического
При имеющихся площадях земельных отво-	состояния отвала № 2 посредством проведения
дов и принятых конечных высотах и углах на-	комплексных геолого-маркшейдерских и геофи-
клона откосов емкость отвала № 2 является	зических наблюдений. Последние реализуются
максимально возможной.	на основе мониторинга магнитометрических
Для обеспечения (при рекомендуемых пара-	скважин.
метрах) длительной устойчивости откосов от-
вала на конечных контурах и эксплуатационной

УДК 662.749.2	Е. В. КАРУНОВА, А. В. КОНОВАЛОВА, М. А. ГУРКИН, А. И. ГАБОВ
	(ОАО “Северсталь”)

ПРОГНОЗ КАЧЕСТВА МЕТАЛЛУРГИЧЕСКОГО КОКСА НА ОСНОВЕ ЕГО ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИХ ПОКАЗАТЕЛЕЙ

Одной из основных проблем производства кокса является разработка теоретических основ методов прогноза физико-механических свойств кокса по показателям свойств углей. Исходя из структурных особенностей кокса разработан новый метод определения прочностных характеристик металлургического кокса. Метод базируется на представлении, что коксы содержат две формы углеродных атомов: ароматические и алифатические. Количество алифатических углеродов незначительно, но прочность кокса определяется именно их присутствием. Ароматические углероды образуют графитоподобную структуру, состоящую из конденсированных ароматических колец, имеющую низкую прочность. Обосновано, что прочностные характеристики металлургического кокса определяет соотношение двух форм углерода в его структуре, которое можно с высокой точностью определить спектрометрическими методами ЯМР (13С и 1Н).

Ключевые слова: уголь; кокс; угольные концентраты; характеристики качества кокса; спектрометрические методы; углерод; показатель отражения витринита.

One of the main problems of coke production is to develop theoretical foundations of prediction methods of physical-mechanical coke properties according to coal property indices. Based on structural coke peculiarities, new method of determining the strength characteristics of metallurgical coke has been developed. The method is based on concept of two carbon atom forms in coke: aromatic and aliphatic ones. Amount of aromatic carbons is not significant, but it is their presence that determines coke strength. Aromatic carbons form graphite-like structure consisting of condensed aromatic rings having low strength. It has been grounded that strength characteristics of metallurgical coke are determined by relation between two carbon forms in its structure, which can very exactly be defined by method of NMR (13C and 1H).

Key words: coal, coke, coal concentrates, coke quality characteristics, spectrometric methods, carbon, vitrinite reflectance.

Одной из центральных задач коксохимической промышленности является контроль и повышение качества получаемого кокса при технологической переработке углей для производства чугуна.

Череповецкий металлургический комбинат (ОАО “Северсталь”), одно из ведущих предприятий металлургической отрасли страны, производит до 15 % кокса и стали в России. Оценка качества металлургического кокса и способы его контроля являются весьма актуальными задачами. В последнее время, благодаря внедрению автоматизированных методов петрографического контроля качества поступающих углей, разработаны научно обоснованные методы подбора состава шихты на коксование.

При разработке научно-технических основ формирования состава угольной шихты и прогноза качества полученного металлургического кокса на основе его физико-химических показателей были сформулированы и решены следующие задачи:

применение петрографической модели для прогнозирования качества кокса на Череповецком металлургическом комбинате;

прогноз показателей качества кокса Череповецкого металлургического комбината по данным петрографического исследования компонентов угольной шихты;

разработка способа (алгоритма), позволяющего подобрать оптимальное соотношение поступающих угольных концентратов (использо-

ОАО «Черметинформация» • Бюллетень «Черная металлургия» • 1• 2011 ―――――――――――――――― 25

вать любой набор) с получением максимально возможного качества кокса для доменного производства с учетом особенностей и потребностей технологии коксохимического производства;

диагностирование прочности металлургического кокса с применением методов ЯМР 1Н и 13С спектроскопии.

Основные определяемые характеристики качества кокса:

химический состав кокса (зольность, влажность, содержание летучих, серы, содержание щелочных компонентов);

холодная прочность, количественно оцениваемая в барабанных испытаниях показателями М40, М25, I40, и стабильность по стандарту ASTM;

твердость (истираемость), количественно оцениваемая в барабанных испытаниях показателями М10, I10, твердость по стандарту ASTM;

реакционная способность (наиболее часто применяется показатель CRI, разработанный фирмой Nippon Steel Corporation);

горячая прочность кокса (оценивается в барабанных испытаниях после высокотемператур-

ной обработки кокса в токе СO2; общепринятым показателем горячей прочности считается показатель CSR, предложенный фирмой Nippon Steel Corporation).

С учетом функций, выполняемых коксом в доменной печи, самой главной характеристикой качества кокса является его механическая прочность, обеспечивающая сохранение первоначальных размеров и формы его кусков под воздействием давящих, истирающих и ударных нагрузок на них в доменной печи. Истирание или разрушение кусков кокса оказывает сильное отрицательное воздействие на проницаемость столба шихты, эффективность противоточного теплообмена и массообмена в печи и отработку продуктов плавки [1].

Одной из основных проблем производства кокса на протяжении многих лет является разработка теоретических основ методов прогноза физико-механических свойств кокса по показателям свойств углей. Решение этого вопроса имеет большое прикладное значение. Составление угольных шихт на коксохимических предприятиях осуществляется преимущественно эмпирическим путем на основе результатов опытных коксований.

Все известные методы прогноза физико-ме- ханических свойств кокса можно подразделить на две большие группы. К первой относятся методы, которые основаны на показателях техно-

логических свойств угля, проявляющихся в процессе их термических превращений: свойствах пластической массы, ее спекаемости и т. д. Вторая группа включает методы, основанные на данных о генетической природе угля исследования, относящиеся к области петрографии [2, 3].

С прогнозом качества кокса неразрывно связан подбор оптимального состава угольной шихты для коксования.

В настоящее время значительная часть компонентов угольной шихты представлена концентратами обогатительных фабрик. Концентраты, как правило, являются смесью углей нескольких марок и не могут быть отнесены к определенной шахто-группе с применением ГОСТ 25543. Поэтому существенным недостатком существующих способов подбора углей для получения металлургического кокса является:

отсутствие возможности отнести поступающие концентраты к шахто-группе только исходя из классификационного ГОСТа;

отсутствие качественных показателей для отнесения к той или иной шахто-группе;

отсутствие сформулированного критерия для сравнения и выбора оптимальной шихты;

не предусмотрены варианты введения в

шихту отходов коксохимического производства (КХП) и условно коксующихся углей для снижения себестоимости и исключения загрязнения окружающей среды.

Разработан способ (алгоритм), позволяющий подобрать оптимальное соотношение поступающих угольных концентратов (использовать любой набор) с получением максимально возможного качества кокса для доменного производства, при этом учитывая особенности и потребности технологии коксохимического производства.

Первый этап оптимизации шихты состоит из распределения угля по шахто-группам исходя из качественных показателей поступающего угольного сырья (табл. 1). Основным показателем для разделения углей на шахто-группы принят пока-

затель отражения витринита (Rо, %). Оптические свойства углей широко используются для характеристики углей и установления стадии метаморфизма, так как существует связь между показателем отражения витринита и содержанием углерода, выходом летучих веществ и другими параметрами состава и структуры углей. Вспомогательные характеристики для определения

шахто-группы выход летучих веществ (Vdaf, %), толщина пластического слоя (y, мм):

26 ―――――――――――――――――ОАО «Черметинформация» • Бюллетень «Черная металлургия» • 1• 2011

ТАБЛИЦА 1. ХАРАКТЕРИСТИКА ШАХТО-ГРУПП УГЛЕЙ

Группа углей

Rо,%

Vdaf, %

y, мм

Участие,

%

ГГУ группа газовые угли

<0,85

>35

>12

40

ГЖУ группа жирные угли

0,85 1,05

30 34

>14

70

ГКУ группа коксовые угли

1,05 1,20

30 24

>12

20

ГКСУ группа коксовые слабоспекающиеся угли

1,20 1,30

20 24

>8

30

ГОСУ группа отощенно-спекающиеся угли

>1,30

<20

>8

30

Отходы КХП (фусы, коксовая пыль, коксовый

Добавка УПС группа условно пригодное сырье для кок-

шлам и т. д.) присутствие в шихте на коксова-

ние не более 1 %, угли условно пригодные к кок-

6

сования

сованию (содержащие более 50 % марок КСН, Т,

ТС, Г) присутствие в шихте на коксование не

более 5 %

Вторым этапом оптимизации шихты является

ограничения по верхнему пределу присут-

формирование процентного соотношения шахто-

ствия шахто-групп в шихте на коксование;

групп с учетом:

коэффициента оптимальных соотношений.

фактических или предполагаемых поста-

Коэффициент оптимальных соотношений Кос

вок;

вычисляется по формуле (1) и не должен

превышать ±5 %:

Кос

30

ГЖУмо + ГГУмо

50 ГЖУнс + ГГУнс

ГКУ, ГКСУ, ГОСУ, УПС.

(1)

70

50

На третьем этапе для полученных вариантов шихты рассчитываются прогнозные качественные характеристики кокса по формуле (2). Аналогом расчета является математическая модель на основе химико-петрографических параметров угольной шихты с учетом периода коксования и технологии тушения кокса:

М40,10 = f(Ro, Vt, Ro, Vt, y, Wru, Vd, Ad, Wr, Пк, Пст). (2)

По полученным данным выбирается оптимальный вариант шихты на коксование.

Значения точности для прогнозируемых качественных характеристик приведены ниже:

Метрологические	Аd, %	Sd, %	М40, %	М10, %
характеристики
Погрешность,
(Ρ = 0,95)	0,43	0,031	1,85	0,39
Показатель (СКО), r	0,2169	0,0158	0,9456	0,1987

Установлена тесная корреляционная связь между фактическими и расчетными показателями прочности кокса (рис. 1).

В качестве примера использования алгоритма расчета в табл. 2 приведены варианты шихтовых карт при определении максимально возможного участия углей марки ГЖО ЦОФ “Печорская” в шихте на коксование без значительного ухудшения прочностных характеристик кокса. По проведенным расчетам выбран вариант 3, который обеспечивает заданное качество кокса при снижении его себестоимости. Вариант 4, со снижением качества кокса, требует промышленной проверки.

Рис. 1. Корреляционная связь между фактическими и расчетными показателями прочности кокса

ОАО «Черметинформация» • Бюллетень «Черная металлургия» • 1• 2011 ―――――――――――――――― 27

ТАБЛИЦА 2. ВАРИАНТЫ ШИХТЫ НА КОКСОВАНИЕ

	Шахто-группа					Состав шихты, %
		база	1	2		3		4	5	6	7
ГГУ	ГЖО ЦОФ “Печорская”	9	18	20		23		26	29	32,0	35,0
ГЖУ	2Ж ЦОФ “Печорская”	65	56	47		44		41	38	35,0	32,0
ГКУ	К ЦОФ “Печорская”	8	8	8		8		8	8	8,0	8,0
ГОСУ	ОС ЦОФ “Сибирь”	18	18	25		25		25	25	25,0	25,0
Итого		100	100	100		100		100	100	100	100
		Расчетные показатели готовой шихты
Ad, %		8,9	8,9	8,9		8,9		8,9	8,9	8,9	8,9
Vd, %		25,8	26,8	26,0		26,1		26,1	26,4	26,5	27,0
у, мм		14,6	15,2	14,3		14,1		13,9	13,7	13,5	13,3
Ro, %		1,075	1,047	1,066		1,060		1,054	1,049	1,043	1,037
Sd,%		0,67	0,72	0,72		0,74		0,77	0,79	0,82	0,84
			Расчетные	показатели	кокса
			Батареи № 3, 4
Ad, %		11,4	11,4	11,4		11,4		11,4	11,4	11,4	11,4
Sd, %		0,56	0,59	0,59		0,62		0,64	0,66	0,68	0,70
М40, %		80,0	79,1	79,8		79,6		79,5	79,4	79,2	79,1
М10, %		7,9	8,7	8,1		8,2		8,3	8,5	8,6	8,7
			Батареи № 5, 6
Ad, %		11,4	11,4	11,4		11,4		11,4	11,4	11,4	11,4
Sd, %		0,56	0,59	0,59		0,62		0,64	0,66	0,68	0,70
М40, %		75,4	74,4	75,2		75,1		75,0	74,9	74,8	74,7
М10, %		7,9	8,6	8,1		8,3		8,4	8,5	8,6	8,8
			Батареи № 8 10
Ad, %		11,4	11,4	11,4		11,4		11,4	11,4	11,4	11,4
Sd, %		0,56	0,58	0,59		0,62		0,64	0,66	0,68	0,70
М40, %		80,4	80,3	80,2		80,1		80,0	79,8	79,7	79,5
М10, %		7,9	8,0	8,1		8,2		8,3	8,4	8,6	8,7

Рассмотрена возможность диагностирования прочности металлургического кокса с применением ЯМР 1Н и 13С спектроскопии. В настоящее время практически во всех странах механическая прочность металлургического кокса оценивается путем проведения барабанных испытаний [4].

Существующие в настоящее время методики для определения прочностных характеристик кокса имеют ряд недостатков: велика погрешность определения (прочности по барабанной пробе М40 ±2 %); абсолютное значение прочности, как горячей, так и холодной, в значительной степени зависит от места отбора, крупности пробы и других факторов, не связанных напрямую с технологическим процессом; дают косвенную информацию о прочностных характеристиках кокса, не раскрывая его структурных особенностей.

Разработан новый метод определения прочностных характеристик металлургического кокса исходя из его структурных особенностей. Метод базируется на том представлении, что коксы содержат две формы углеродных атомов: ароматические и алифатические. Количество алифатических углеродов незначительно, но прочность

кокса определяется именно их присутствием. Ароматические углероды образуют графитоподобную структуру, состоящую из конденсированных ароматических колец, имеющую низкую прочность. Роль алифатических углеродов заключается в том, что они связывают отдельные ароматические кластеры прочными С С связями. Следовательно, прочностные характеристики металлургического кокса определяет соотношение двух форм углерода в его структуре, которое можно с высокой точностью опре-

делить спектрометрическими методами ЯМР

(13С и 1Н) [5].

Метод ЯМР примечателен тем, что такие характеристики, как агрегатное состояние, элементный состав, дисперсность, молекулярномассовое распределение и другие характеристики системы, не препятствуют получению спектров.

Основным элементом, содержащимся в коксе, является углерод. Естественное содержание изотопа углерода-13, который возможно наблюдать методом спектрометрии ЯМР, составляет всего ≈ 1 %, а чувствительность метода на этом ядре на два порядка ниже, чем для основного

28 ―――――――――――――――――ОАО «Черметинформация» • Бюллетень «Черная металлургия» • 1• 2011

(≈ 99,98 %) изотопа водорода (протия). Поэтому более экспрессной и экономичной может оказаться методика с использованием спектров ЯМР 1Н, несмотря на его малое содержание в коксах (до нескольких процентов в зависимости от условий коксования).

Разработан способ определения прочностных характеристик металлургического кокса спектроскопическим методом ЯМР 1Н релаксометрия. Данный метод позволяет повысить точность и сократить время определения прочностных характеристик металлургического кокса. Сущность метода заключается в определении в отобранной пробе количества атомов водорода, связанных с атомами углерода. Прочностные характеристики кокса определяются из соотношения атомов водорода, связанных двумя формами алкильного (Cал) и ароматического (Cар) атома углерода.

Используется проба кокса аналитической разделки, ее очищают от ферромагнитных частиц и помещают в ампулу релаксометра, затем по величине площадей соответствующих пиков в спектре устанавливают процентное содержание водорода у ароматического и алкильного углерода очищенной от ферромагнитных частиц массы. Соотношение количества водорода при алкильном и ароматическом углеродах определяет прочность металлургического кокса.

Внастоящее время общее количество водорода в коксе определяют экспериментально химическими методами, у которых ограниченная точность, с одной стороны, с другой отсутствует возможность разделить его на Hал и Нар.

Вкачестве примера представлены данные по корреляционным зависимостям между прочностными характеристиками металлургического кокса

ипоказателями спектра ЯМР 1H низкого разрешения для девяти проб кокса, полученных в результате опытных коксований (в цилиндрах), отличающихся между собой местом расположения цилиндров в камере коксования.

Для исследованных образцов были представлены следующие прочностные характеристики: структурная прочность П, показатель реакционной способности k (константа скорости реакции углерода кокса с диоксидом углерода, определенная по ГОСТ 10089) и горячая прочность

кокса CSR.

На рис. 2, согласно данным спектра ЯМР 1Н низкого разрешения, общее содержание водо-

рода в образцах сопоставлено с показателем реакционной способности k.

Рис. 2. Корреляция содержания общего количества водорода в образцах кокса со значением параметра k

Отметим, что процентное содержание отдельных типов водорода в образцах Нар и Нал также хорошо коррелирует со значением параметра k (рис. 3).

Рис. 3. Корреляция показателя реакционной способности k и содержания алкильного водорода в образцах кокса

Можно предположить, что найденные характеристики содержания в коксах атомов водорода различных типов достаточно корректный прогностический параметр их прочностных свойств.

В результате работы установлено:

ЯМР 1Н релаксометрия разумная альтернатива ЯМР 1Н высокого разрешения с MAS;

в коксах, как в кусковом виде, так и в виде порошков, обнаружено два типа атомов водорода, имеющих разные времена релаксации;

двухпараметровая корреляция показала, что кривые релаксации во всех изученных случаях разлагаются на две экспоненты, которые

могут иметь важный физико-химический смысл. Быстро релаксирующая часть атомов 1Н экспонента соответствует ароматическим атомам водорода, а медленно релаксирующая алкильным (алифатическим) протонам, количество которых, как следует из корреляционной обработки данных, характеризует приближенно прочность кокса;

ОАО «Черметинформация» • Бюллетень «Черная металлургия» • 1• 2011 ―――――――――――――――― 29

для измерения и прогнозирования прочност-	WinFit (OXFORD Instruments), а также оборудо-
ных свойств кокса в потоке рекомендуется приоб-	вания для подготовки проб кокса путем контро-
ретение спектрометра-релаксометра MARAN Ultra,	лируемого по медианному размеру измельчения.
Великобритания, с программным обеспечением

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

1.Курунов И. Ф. Качество кокса, его поведение в доменной печи и влияние на ее работу // Новости черной металлургии за рубежом. Приложение. 2003. 38 с.

2.Модель оптимизации показателей прочности кокса на основе химико-петрографических параметров углей и нелинейного программирования / А. С. Станкевич и др. // Кокс и химия. 2000. № 5. С. 2 10.

3.Рациональное распределение углей и оптимизация состава шихт для коксования / А. С. Станкевич и др. // Там же. 2003. № 9. С. 8 16.

4.Вегман Е. Ф. Доменное производство: Справочное изд-е. В 2-х т. Т. 1. Подготовка руд и доменный процесс. М.: Металлургия. 1989. 496 с.

5.Диагностирование прочности металлургического кокса с применением методов ЯМР 1Н И 13С спектроскопии / Е. В. Карунова, A. M. Гюльмалиев, Г. А. Калабин, И. А. Султангузин: Тезисы докладов. Российская научная конференция (с международным участием) “Глубокая переработка твердого ископаемого топлива стратегия России в 21-м веке”. 21 24 ноября 2007 г. Звенигород. С. 34.

УДК 669.162 Ю. В. ФИЛАТОВ, А. Н. РЫЖЕНКОВ, А. В. ЕМЧЕНКО, к.т.н.; В. Е. ПОПОВ, А. И. ДРЕЙКО, С. Л. ЯРОШЕВСКИЙ, д.т.н., проф.; И. В. МИШИН (ЗАО “Донецксталь” металлургический завод”, Донецкий национальный технический университет)

ЭФФЕКТИВНОСТЬ ПРИМЕНЕНИЯ КОКСА УЛУЧШЕННОГО КАЧЕСТВА (“ПРЕМИУМ”) ПРИ РАБОТЕ ДОМЕННЫХ ПЕЧЕЙ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ПЫЛЕУГОЛЬНОГО ТОПЛИВА

В доменном цехе ЗАО “Донецксталь” МЗ” при подготовке к работе с высоким (>150 кг/т чугуна) расходом пылеугольного топлива (ПУТ) проведены промышленные испытания и освоена технология доменной плавки с применением кокса “Премиум”. Применение кокса “Премиум” позволило снизить расход кокса, полностью исключить применение природного газа, существенно повысить расход ПУТ, производительность печи.

Ключевые слова: доменная печь; кокс “Премиум”; пылеугольное топливо; удельный расход кокса; опытнопромышленная плавка.

At the blast furnace shop of ZAO “Donetskstal’” MZ”, industrial tests have been carried out and blast furnace heat technology using the “Premium” coke has been mastered during preparing for operation with high consumption (>150 kg/t of cast iron) of pulverized coal (PCI). Application of the “Premium” coke has made it possible to decrease coke consumption, to fully exclude natural gas utilization, to essentially increase PCI consumption, furnace productivity.

Key words: blast furnace, “Premium” coke, pulverized coal, specific coke consumption, pilot-industrial heat.

Последние 30 лет развитие и эффективность		шихты в печи, снижению в ней доли кокса, уве-
доменной технологии в значительной мере оп-		личению рудных нагрузок на кокс с 3 4 до 5 7
ределены применением пылеугольного топлива		т/т. Поэтому закономерно, что переход на
(ПУТ), расход которого	повысился с 0 до	данную технологию определил необходимость
200 260 кг/т чугуна, доля замены им кокса воз-		значительного повышения качества кокса,
росла на 40 45 %, что определило снижение по-		особенно по прочности: показатель горячей
следнего до 250 350 кг/т чугуна [1]. Указанный		прочности (CSR) на современных доменных
ход событий определил появление нового в ме-		печах повысился с 30 50 до 60 75 %.
таллургии термина “малококсовая техноло-		Очевидно, что улучшение качества кокса яв-
гия”, с использованием которой в последние		ляется важнейшим и необходимым компенси-
годы работают современные крупнейшие домен-		рующим мероприятием при работе доменных
ные печи, производящие более половины миро-		печей с применением ПУТ.
вой выплавки чугуна.		В доменном цехе ЗАО “Донецксталь” ме-
Освоение малококсовой технологии способ-		таллургический завод (МЗ)” в порядке подго-
ствовало повышению	времени пребывания	товки к работе с высоким (более 150 кг/т чугуна)

30 ―――――――――――――――――ОАО «Черметинформация» • Бюллетень «Черная металлургия» • 1• 2011

расходом ПУТ проведены промышленные испы-	нием кокса “Премиум”, который характеризуется
тания и освоена технология плавки с примене-	повышенным уровнем прочностных показателей.

Качество кокса определяющий компенсирующий фактор при освоении малококсовой

доменной технологии выплавки чугуна

Газопроницаемость доменной шихты в ре-	(0,25–0,35 против 0,12 0,15), необходимым для
шающей степени определяется качеством кокса	получения кокса с высоким показателем после-
и его долей в шихте. В доменных цехах Украины	реакционной прочности (CRS = 60 70 %) [2];
расход кокса на 1 т чугуна традиционно выше на	повышенными зольностью, сернистостью и
20 30 %, чем в цехах европейских стран, что	выходом летучих угольной шихты [2];
объясняется как менее благоприятными ших-	менее совершенной технологией обработки
тово-технологическими условиями, так и низким	кокса и подготовки его к доменной плавке.
качеством кокса. Последнее объясняется такими	За последние 20 25 лет определяющим фак-
специфическими причинами, как:	тором технического прогресса в доменном про-
преобладание в структуре геологических	изводстве является применение ПУТ с целью
запасов и добыче углей в Украине маломета-	замены им кокса: в настоящее время в ряде
морфизированных углей с высоким выходом ле-	стран практически весь чугун выплавляют с при-
тучих веществ и низким показателем отражения	менением ПУТ (Франция, Нидерланды, Бельгия,
витринита, что характеризует их более низкую	Испания, Италия, Китай, Япония и др.). Естест-
способность к спеканию [2];	венно, что применение ПУТ и снижение доли кокса
повышенным индексом основности мине-	в шихте предопределяют необходимость повыше-
ральной части большинства углей Донбасса	ния требований к качеству кокса (табл. 1) [1].

ТАБЛИЦА 1. ТРЕБОВАНИЯ К ПОКАЗАТЕЛЯМ ГОРЯЧЕЙ ПРОЧНОСТИ, РЕАКЦИОННОЙ СПОСОБНОСТИ КОКСА (А) И ХОЛОДНОЙ ПРОЧНОСТИ КОКСА (Б) НА ЗАВОДАХ ЗАПАДНОЙ ЕВРОПЫ [1]

А) Показатели горячей прочности и реакционной способности кокса

Страна, фирма и завод		Показатель
	CSR, более		CRI, менее
Австрия, Voest Alpine	60		31
Бельгия, Sidmar	65		23
Финляндия:
Rautaruuki	60		30
Koverhar (основной кокс)	65		25
Koverhar (кокс в осевой зоне)	70		22
Франция, Sollac в Фос-сюр-Мер	53
Германия, средние данные по девяти заводам	65		23
Голландия, Corus в Эймейдене	60		24-30
Англия:
Corus в Редкаре	64		25
Corus в Скантропе	65		25
Corus в Порт Талботе	45 70		20 25
Corus в Лларверне	57		30
Б) Показатели холодной	прочности кокса
	М40, более		М10, менее
Австрия, Voest Alpine*	50		18
Бельгия, Sidmar*	58
Финляндия:
Rautaruuki	65		7
Koverhar (основной кокс)	87		5
Koverhar (кокс в осевой зоне)	87		5
Франция:
Sollac в Дюнкерке*	49		19
Sollac в Фос сюр Мер*	44		19
Германия, средние данные по девяти заводам*	57		18
Голландия, Corus в Эймейдене*	58		18
Англия:
Corus в Редкаре	87,5		5,8
Corus в Скантропе	82,5		6,5
Corus в Лларверне	80		8
* Показатели I40 и I10.

ОАО «Черметинформация» • Бюллетень «Черная металлургия» • 1• 2011 ―――――――――――――――― 31